JP2019192608A - 狭帯熱放射スペクトルを有する構造体 - Google Patents

狭帯熱放射スペクトルを有する構造体 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、要求される波長帯に狭帯熱放射スペクトルを有する構造体を提供する。【解決手段】構造体101は、少なくとも1つの誘電体層102a〜102cと、少なくとも1つの半導体層103a〜103cとを備え、2〜10μmの波長帯において、放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波106を放射する。【選択図】図1

Description

本発明は、狭帯熱放射スペクトルを有する構造体、その構造体を製造する方法、及びその構造体を製造するためのプログラムに関するものである。
近年,可燃性の溶剤を低温で乾燥させたいといったニーズが高まっている。従来技術として、有機溶剤の蒸発に有効な特定の波長帯の熱放射(熱輻射)のみを放射させる方式が考案されている。このように特定の波長帯において自由自在に熱放射を放射させる材料は、不要な熱損失を削減することが可能であって、ヒーターへの供給電力を低減させることができるため、生産ラインの大幅な省エネルギー化が見込まれ、産業界から大きな期待が寄せられている。
特許文献1には、発熱体と、赤外線の放射面、及び放射面に沿った方向に周期構造を有する第1導体層を有し、発熱体からの加熱により波長2μm以上10μm以下の範囲内に半値幅が1.5μm以下で放射率が値0.8以上の最大ピークを有する赤外線を放射面から放射する特性を有する構造体とを備える赤外線ヒーターが開示されている。第1導体層は、個別導体層を有し、この個別導体層が放射面に沿った方向に互いに離間して配置されることで、周期構造を構成している。構造体は、発熱体側で第1導体層に接合された誘電体層と、発熱体側で誘電体層に接合された第2導体層とを有し、これによって、構造体は、特定の波長の赤外線を選択的に放射する特性を有するメタマテリアルエミッターとして機能する。
また、特許文献2には、遺伝的アルゴリズムを使用して、基板上に多層膜を有する太陽光反射多層膜を設計する方法が開示されている。個体数、選択方法、交叉方法及び交叉率、突然変異率、等のパラメータを設定し、選択、交叉、突然変異の操作を繰り返すことによって、最適化された太陽光反射多層膜が設計される。
特開2017−50254号公報 国際公開第2010/119974号
特許文献1の構造体は、導体層/誘電体層/導体層の3層構造における電磁場の共鳴効果を応用して、特定の波長の赤外線を選択的に放射しているが、その構造体を作製するために、リソグラフィ等の多くの微小電気機械システム(Micro Electro Mechanical Systems:MEMS)技術を駆使する必要があり、作製が容易であるとは言い難く、大面積化及び低コスト化することが難しいという問題点がある。また、この構造体によって得られる熱放射スペクトルは拡がってしまい(半値全幅100nm以上)、省エネルギー化への障害になっているという問題点がある。更に、この構造体を数値シミュレーションによって最適化を行おうとすると、材料の候補や構造パラメータが極めて大規模な候補数として存在するため、計算コストの面から非現実的であるという問題点がある。
特許文献2においては、遺伝的アルゴリズムを使用して最適化された太陽光反射多層膜が設計されるが、遺伝的アルゴリズムは、個体数、選択方法、交叉方法及び交叉率、突然変異率、等のパラメータの設定を設計者が行う必要があり、設計者の力量によって、計算コスト、更には太陽光反射多層膜の最適化の実現可能性が左右されるという問題点がある。
従って、本発明の目的は、上記問題点を解決して、容易に作製することができ、且つ、低コスト化及び大面積化に適している、要求される波長帯に超狭帯域熱放射スペクトルを有する構造体、その構造体を製造する方法、及びその構造体を製造するためのプログラムを提供することである。
本発明の1つの観点によれば、構造体は、少なくとも1つの誘電体層と、少なくとも1つの半導体層とを備え、2〜10μmの波長帯において、放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波を放射する。
本発明の一具体例によれば、構造体は、少なくとも2つの誘電体層と、少なくとも2つの半導体層とを備え、各誘電体層と各半導体層とが、隣接して交互に重ね合わされて配置されている。
本発明の一具体例によれば、少なくとも2つの誘電体層及び少なくとも2つの半導体層は、それぞれの厚さが非周期的になるように交互に重ね合わされて配置されている。
本発明の一具体例によれば、構造体は、導体層上に配置され、導体層からエネルギーが伝達される。
本発明の一具体例によれば、構造体において、導体層上に隣接して少なくとも1つの誘電体層のうちの1つが配置されている。
本発明の一具体例によれば、構造体は、4〜8μmの波長帯において、放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波を放射する。
本発明の一具体例によれば、構造体において、各誘電体層の厚さは100nm以上である。
本発明の一具体例によれば、構造体において、各半導体層の厚さは100nm以上である。
本発明の一具体例によれば、構造体において、各誘電体層は、酸化シリコン又は酸化アルミニウムによって構成されている。
本発明の一具体例によれば、構造体において、各半導体層は、シリコン又はゲルマニウムによって構成されている。
本発明の別の観点によれば、2〜10μmの波長帯において、放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波を選択的に放射する構造体を製造する方法は、少なくとも1つの誘電体層と少なくとも1つの半導体層とを備える第1の構造体の、誘電体層の膜数、半導体層の膜数、各誘電体層の材料・厚さ、各半導体層の材料・厚さを第1の記述子として選定するステップ(a)と、第1の記述子に基づく第1の構造体が放射する熱放射スペクトルを第1の計測値として計測して、第1の記述子及び第1の計測値を訓練データとして選定するステップ(b)と、訓練データを使用して、少なくとも1つの誘電体層と少なくとも1つの半導体層とを備える仮の構造体の、誘電体層の膜数、半導体層の膜数、各誘電体層の材料・厚さ、各半導体層の材料・厚さを仮の記述子とした場合に、仮の構造体が放射する仮の計測値としての熱放射スペクトルを予測するためのガウス過程モデルを学習するステップ(c)と、ガウス過程モデルより、第1の記述子に相違する仮の記述子に対して予測される熱放射スペクトルの平均及び分散を計算するステップ(d)と、平均及び分散を使用してスコアリングを行い、相違する仮の記述子のうちのスコアが所定値である少なくとも1つを、次に計測すべき第2の記述子として選定するステップ(e)と、第2の記述子に基づく第2の構造体が放射する熱放射スペクトルを第2の計測値として計測するステップ(f)と、第2の計測値としての熱放射スペクトルが最適値に達した場合に、第2の記述子の、誘電体層の膜数、半導体層の膜数、各誘電体層の材料・厚さ、各半導体層の材料・厚さに基づいて、構造体を形成するステップ(h)とを含む。
本発明の一具体例によれば、方法は、ステップ(f)の後、第2の計測値としての熱放射スペクトルが最適値に達していない場合に、第2の記述子及び第2の計測値を訓練データに追加するステップ(g)を更に含む。
本発明の一具体例によれば、方法において、ステップ(f)の後、第2の計測値としての熱放射スペクトルが最適値に達するまで、ステップ(c)〜(g)を反復する。
本発明の一具体例によれば、方法において、第1の計測値及び第2の計測値としての熱放射スペクトルを、電磁場解析に基づいて計算することによって計測する。
本発明の一具体例によれば、方法において、ステップ(h)は、電子ビーム蒸着法、MBE法、CVD法、HVPE法、ALD法、スパッタリング法のうちの少なくとも1つによって、構造体の各半導体層及び各誘電体層を積層するステップである。
本発明の更に別の観点によれば、2〜10μmの波長帯において、放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波を選択的に放射する構造体を製造するためのプログラムは、少なくとも1つの誘電体層と少なくとも1つの半導体層とを備える第1の構造体の、誘電体層の膜数、半導体層の膜数、各誘電体層の材料・厚さ、各半導体層の材料・厚さを第1の記述子として選定するステップ(a)と、第1の記述子に基づく第1の構造体が放射する熱放射スペクトルを第1の計算値として電磁場解析に基づいて計算して、第1の記述子及び第1の計算値を訓練データとして選定するステップ(b)と、訓練データを使用して、少なくとも1つの誘電体層と少なくとも1つの半導体層とを備える仮の構造体の、誘電体層の膜数、半導体層の膜数、各誘電体層の材料・厚さ、各半導体層の材料・厚さを仮の記述子とした場合に、仮の構造体が放射する仮の計算値としての熱放射スペクトルを予測するためのガウス過程モデルを学習するステップ(c)と、ガウス過程モデルより、第1の記述子に相違する仮の記述子に対して予測される熱放射スペクトルの平均及び分散を計算するステップ(d)と、平均及び分散を使用してスコアリングを行い、相違する仮の記述子のうちのスコアが所定値である少なくとも1つを、次に計算すべき第2の記述子として選定するステップ(e)と、第2の記述子に基づく第2の構造体が放射する熱放射スペクトルを第2の計算値として電磁場解析に基づいて計算するステップ(f)と、第2の計算値としての熱放射スペクトルが最適値に達した場合に、第2の記述子を、構造体の、誘電体層の膜数、半導体層の膜数、各誘電体層の材料・厚さ、各半導体層の材料・厚さとして選定するステップ(h)とを実行する。
本発明の一具体例によれば、プログラムは、ステップ(f)の後、第2の計算値としての熱放射スペクトルが最適値に達していない場合に、第2の記述子及び第2の計算値を訓練データに追加するステップ(g)を更に実行する。
本発明の一具体例によれば、プログラムにおいて、ステップ(f)の後、第2の計算値としての熱放射スペクトルが最適値に達するまで、ステップ(c)〜(g)を反復する。
本発明の一具体例によれば、プログラムにおいて、平均及び分散は、ガウシアンカーネルを使用して計算される。
本発明の一具体例によれば、プログラムにおいて、スコアリングを、PIアルゴリズム、EIアルゴリズム、MIアルゴリズム、UCBアルゴリズムのうちの少なくとも1つを含む獲得関数によって行う。
本発明によれば、要求される波長帯に、放射率が0.8以上及び半値全幅20nm以下という超狭帯域熱放射スペクトルを有する構造体を実現することができる。
なお、本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図面に関する以下の本発明の実施例の記載から明らかになるであろう。
本発明の一実施形態としての構造体の断面図を示す。 作製された構造体の断面TEM像を示す。 図2の作製された構造体によって計測された放射率を示す。 本発明の一実施形態としての、構造体を製造するためのフローチャートを示す。 図4のフローチャートを使用して、目標波長をそれぞれ(a)5μm、(b)6μm、(c)7μmとして、電磁場解析に基づいて計算された放射率が最大値1及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波を放射する最適化された構造体を示し、(d)〜(f)は、目標波長をそれぞれ(a)5μm、(b)6μm、(c)7μmとして計算された構造体の数に対する最大性能指数の遷移を示す。 図5のフローチャートを使用して最適化された構造体の電磁場解析に基づいて計算された放射率を示す。
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
図1に、本発明の一実施形態としての、少なくとも1つの誘電体層102a〜102cと、少なくとも1つの半導体層103a〜103cとを備える構造体101を示す。図1の構造体101においては、誘電体層102a〜102cは3層、半導体層103a〜103cは3層であるが、これに限定されるものではない。構造体101が、少なくとも2つの誘電体層102a〜102cと、少なくとも2つの半導体層103a〜103cとを備える場合には、誘電体層102a上に隣接して半導体層103aが配置され、そして半導体層103a上に隣接して誘電体層102bが配置されるというように、又は半導体層103a上に隣接して誘電体層102aが配置され、そして誘電体層102a上に隣接して半導体層103bが配置されるというように、誘電体層102a〜102cと半導体層103a〜103cとは隣接して交互に重ね合わされて配置されている。誘電体層102a〜102c及び半導体層103a〜103cの厚さの間には周期的な関係はなく、誘電体層102a〜102c及び半導体層103a〜103cは、それぞれの厚さが非周期的、すなわちランダムであるように、交互に重ね合わされて配置されている。ここで周期的とは、下層から上層に向かって各層の厚さが一定であるというだけでなく、下層から上層に向かって一定の間隔で各層の厚さが増加したり若しくは減少したり、又は、下層から上層に向かって一定の間隔で各層の厚さが増減を繰り返す、等の各層の厚さが何らかの数列的な関係を有することをいう。そして、構造体101が、2〜10μmの波長帯のうちの選択された目標波長において、放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波106を放射することができるように、半導体層の膜数、誘電体層の膜数、各半導体層の材料・厚さ、各誘電体層の材料・厚さは適宜調整される。また、構造体101が、4〜8μmの波長帯のうちの選択された目標波長において、放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波106を放射することができるように、半導体層の膜数、誘電体層の膜数、各半導体層の材料・厚さ、各誘電体層の材料・厚さは適宜調整されてもよい。
構造体101において、各誘電体層102a〜102cは、酸化シリコン(シリカ:SiO)又は酸化アルミニウム(アルミナ:Al)によって構成されていてもよく、各誘電体層102a〜102cは、異なる材料から構成されていてもよい。また、各半導体層103a〜103cは、シリコン(Si)又はゲルマニウム(Ge)によって構成されていてもよく、各半導体層103a〜103cは、異なる材料から構成されていてもよい。そして、各誘電体層102a〜102cの厚さは50nm以上であって、好ましくは100nm以上である。また、各半導体層103a〜103cの厚さは50nm以上であって、好ましくは100nm以上である。
構造体101は、導体層104上に配置され、特定のスペクトルを有する電磁波106を放射する。導体層104を構成する材料としては、例えばタングステン(W)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、鉄(Fe)−クロム(Cr)−アルミニウム(Al)合金、及びニッケル(Ni)−クロム(Cr)合金、等がある。導体層104には入力端子が設けられおり、端子を介して導体層104に外部から電力が供給されると導体層104が発熱し、エネルギーとしての熱が導体層104から構造体101に伝達されることによって、構造体101は加熱されて、2〜10μmの波長帯のうちのその物性に応じて選択された目標波長において放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波106をその温度に応じた強度で放射する。
構造体101は、発熱した導体層104からの熱伝導105によって構造体101を加熱するために、導体層104上に隣接して配置されている。なお、導体層104上には、構造体101のうちの誘電体層102aが隣接して配置されていてもよい。
図2に、3層の誘電体層102a〜102cと、3層の半導体層103a〜103cとを備え、導体層104上に配置されている、スパッタリング法により作製された構造体101の断面TEM像を示す。図2の構造体101は、導体層104上に隣接して誘電体層102aが配置されている。そして、誘電体層102a上には隣接して半導体層103aが配置されて、3層の誘電体層102a〜102cと3層の半導体層103a〜103cが、導体層104上に交互に重ね合わされて配置されている。図2のbは、図2のaの枠内における、誘電体層102cとしてのゲルマニウム(Ge)層と半導体層103cとしての酸化シリコン(SiO)層との界面の高分解能TEM像を示し、図2のcは、図2のbの枠内における、誘電体層102cとしてのゲルマニウム(Ge)層と半導体層103cとしての酸化シリコン(SiO)層との界面の更なる高分解能TEM像を示す。なお、図2においては、誘電体層102a、半導体層103a、誘電体層102b、半導体層103b、誘電体層102c、半導体層103cの厚さは、それぞれ654nm、870nm、908nm、457nm、694nm、432nmであって、各層の厚さは、非周期的であって何らかの数列的な関係を有さない。このように作製された構造体101に対してフーリエ変換赤外分光計(Fourier Transform Infrared Spectrometer:FTIR)により放射率測定を行った結果、図3に示すように、導体層104が発熱すると、構造体101は、熱伝導105によって加熱されて、その物性に応じて選択された目標波長を約6.5μmとする、放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波を放射することができる。
次に、2〜10μmの波長帯において、放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波106を選択的に放射する構造体101を製造する方法を、図4のフローチャートを使用して説明する。ステップS101において、少なくとも1つの半導体層と少なくとも1つの誘電体層とを備える第1の構造体であって、第1の構造体の、半導体層の膜数、誘電体層の膜数、各半導体層の材料・厚さ、各誘電体層の材料・厚さを第1の記述子xのベクトルとして任意に選定する。ここで、第1の構造体となる候補の数nは2以上の整数であってもよく、候補となる複数の第1の構造体のそれぞれの、半導体層の膜数、誘電体層の膜数、各半導体層の材料・厚さ、各誘電体層の材料・厚さを第1の記述子x、x、・・・、xのn個のベクトルとして任意に選定する。なお、この選定時におけるnは、計算精度、計算時間、等を考慮して15〜25であってもよく、好ましくは20である。ステップS102において、選定された第1の記述子xに基づく第1の構造体が放射する熱放射スペクトルを第1の計測値yとして計測して、第1の記述子x及び第1の計測値yを訓練データとして選定する。ここで、第1の構造体となる候補の数が複数である場合には、候補となる複数の第1の構造体が放射する熱放射スペクトルを第1の計測値y、y、・・・、yとして計測して、第1の記述子x、x、・・・、x及び第1の計測値y、y、・・・、yを初期の訓練データとして選定する。なお、第1の計測値y、y、・・・、yは、厳密結合波解析(Rigorous Coupled Wave Analysis:RCWA)等の電磁場解析に基づいて計算することによって計測されてもよいし、第1の記述子x、x、・・・、xに基づく第1の構造体を作製することによって計測されてもよい。
ステップS103において、選定された訓練データを使用して、少なくとも1つの半導体層と少なくとも1つの誘電体層とを備える仮の構造体の、半導体層の膜数、誘電体層の膜数、各半導体層の材料・厚さ、各誘電体層の材料・厚さを仮の記述子xとした場合に、仮の構造体が放射する仮の計測値yとしての熱放射スペクトルを予測するためのガウス過程モデルを学習する。第1の記述子xと第1の計測値yとの関係はある関数fによってy=f(x)として便宜上表すことができるが、関数fはブラックボックス関数であるために、関数fが如何なる関数であるかを具体的に表すことはできない。そこで、ベイズ最適化を使用して、候補となる第1の記述子x及び第1の計測値yから予測モデルとしてのガウス過程モデルを構築するように学習し、ガウス過程モデルにより次に計測すべき第2の記述子x’を選定し、第2の記述子x’と第2の記述子x’に基づく第2の計測値y’とをそれぞれ、第1の記述子xと第1の計測値yとに追加することによって第1の記述子x及び第1の計測値yを新たな次の候補として更新してガウス過程モデルを再度構築するように学習し、ガウス過程モデルにより次に計測すべき第2の記述子x’’を再度選定する、ということを繰り返してブラックボックス関数fを最適化し、第2の計測値が最適値になるように選択できるようにする。
以下に、ガウス過程モデルを学習する方法の一例について説明する。ガウス過程の事前分布における平均を0、共分散関数を、kθ(x、x)とする。また、ノイズの平均を0、分散をρとし、訓練データD1:n={(x、y)、(x、y)・・・(x、y)}が得られた場合における、仮の記述子xに基づく仮の計測値yを予測するためのガウス過程モデルを訓練データD1:nを使用して学習する。
ステップS104において、学習されたガウス過程モデルを使用して、仮の記述子xに基づく仮の計測値yを予測する予測分布p(y|x,D1:n,θ)を求める。なお、ガウス過程モデルでは、予測分布p(y|x,D1:n,θ)がガウス分布に従う。

ここで、μ(x,D1:n,θ)及びσ(x,D1:n,θ)は、仮の記述子xに対する仮の計測値yのそれぞれ平均及び分散であって、次のように表される。


ここで、Iは、n次元の単位行列であって、y1:nは、以下のようにn次元のベクトルとして表される。

また、Kθ(x1:n)は、共分散関数kθ(x,x)によって表されるn次元の共分散行列であって、

θ(x)は、以下のようにn次元のベクトルとして表される。

このようにして、ガウス過程モデルより、第1の記述子x、x、・・・、xに相違する仮の記述子xに対して予測される仮の計測値yとしての熱放射スペクトルの平均μ(x,D1:n,θ)及び分散σ(x,D1:n,θ)を計算する。
共分散関数kθ(x,x)として、例えば、ガウシアンカーネルを使用してもよい。

また、共分散関数kθ(x,x)として、例えば、以下のような関連度自由決定二乗指数カーネル(Automatic Relevance Determination (ARD) Squared Exponential Kernel)等、その他のカーネルを使用してもよい。

ステップS105において、平均μ(x,D1:n,θ)及び分散σ(x,D1:n,θ)を使用してスコアリングを行い、第1の記述子x、x、・・・、xに相違する仮の記述子xのうち、スコアが所定値である少なくとも1つの仮の記述子xを、次に計測すべき第2の記述子xn+1として選定する。選定された仮の記述子x、すなわち次に計測すべき第2の記述子xn+1の数は複数であってもよく、ステップS101で選定された第1の記述子の数nと同数であってもよい。スコアリングは、例えば、第1の計測値y、y、・・・、yのうちの現在のベスト値ybestを超える確率を最も高くする仮の記述子xを次に計測すべき第2の記述子xn+1として選定するPI(Probability of Improvement:改善確率)アルゴリズム、仮の計測値yと第1の計測値y、y、・・・、yのうちのベスト値ybestとの差の期待値を最も高くする仮の記述子xを次に計測すべき第2の記述子xn+1として選定するEI(Expect Improvement:期待改善量)アルゴリズム、仮の計測値yの信頼区間の上限を最も高くする仮の記述子xを次に計測すべき第2の記述子xn+1として選定するUCB(Upper Confidence Bound:上側信頼限界)アルゴリズム、UCBアルゴリズムをベースとして、過去に得られた分散を考慮した上で仮の計測値yの上限を最も高くする仮の記述子xを次に計測すべき第2の記述子xn+1として選定するMI(Mutual Information:相互情報量)アルゴリズム、等のうちの少なくとも1つを含む獲得関数によって行われてもよい。
ステップS106において、第2の記述子xn+1に基づく第2の構造体が放射する熱放射スペクトルを第2の計測値yn+1として計測する。なお、第2の計測値yn+1は、厳密結合波解析等の電磁場解析に基づいて計算することによって計測されてもよいし、第2の記述子xn+1に基づく第2の構造体を作製することによって計測されてもよい。
ステップS107において、第2の計測値yn+1としての熱放射スペクトルが最適値に達したか否かを判定し、最適値に達した場合には、第2の記述子xn+1の、半導体層の膜数、誘電体層の膜数、各半導体層の材料・厚さ、各誘電体層の材料・厚さに基づいて、構造体を形成する。構造体を形成する際、各半導体層及び各誘電体層は、電子ビーム蒸着法、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法、化学的気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)法、ハイドライド気相成長(Hydride Vapor Phase Epitaxy:HVPE)法、原子層堆積(Atomic Layer Deposition:ALD)法、スパッタリング法のうちの少なくとも1つによって積層されてもよい。このように各半導体層及び各誘電体層を積層することによって、構造体を既存の技術を使用して容易且つ安価に製造することができ、更には構造体を大面積化することも容易である。
ステップS107において、第2の計測値yn+1としての熱放射スペクトルが最適値に達していない場合には、ステップS108において、従来の訓練データD1:nに対して、第2の記述子xn+1及び第2の計測値yn+1を追加して、新たな訓練データD1:n+1として更新する。
そして、ステップS108において更新された新たな訓練データD1:n+1を使用してステップS103〜ステップ107を行い、ステップS107において、第2の計測値yn+2としての熱放射スペクトルが最適値に達していない場合には、ステップS108において、従来の訓練データD1:n+1に対して、第2の記述子xn+2及び第2の計測値yn+2を追加して、新たな訓練データD1:n+2として更新する、というように、第2の計測値としての熱放射スペクトルが最適値に達するまで、ステップ103〜ステップ108を反復することによって、第2の計測値としての熱放射スペクトルが最適化されるように機械学習を行う。ここでいう最適値とは、第2の構造体が、2〜10μmの波長帯において放射する電磁波のスペクトルの放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下のことである。
ステップS102及びステップS106において、それぞれ第1の計測値及び第2の計測値としての熱放射スペクトルを、電磁場解析に基づいて計算することによって計測することにすれば、ステップS101〜ステップS108は、数値シミュレーション上で実行されるプログラム上に含ませることもできる。
図5に、ステップS101〜ステップS108を実行することができるプログラムによる機械学習を行うことによって、目標波長をそれぞれ(a)5μm、(b)6μm、(c)7μmに選択的に設定して、電磁場解析に基づいて計算された選択された各目標波長において放射率が最大値1及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波を放射する最適化された構造体を示す。(a)〜(c)の構造体は導電体層W上に隣接してSiO層が配置され、SiO層上に隣接してGe層が配置されるというように、SiO層とGe層とが、隣接して交互に重ね合わされて配置されている。そして、SiO層及びGe層は、それぞれの厚さが非周期的になるように交互に重ね合わされて配置されている。具体的には、(a)及び(b)の構造体はSiO層とGe層とが交互に重ね合わされて配置された6層から構成され、(c)の構造体はSiO層とGe層とが交互に重ね合わされて配置された8層から構成され、(a)の構造体の導電体層W上に隣接するSiO層から6層目のGe層までの各層の厚さは、0.63μm、0.63μm、1.05μm、0.42μm、0.63μm、0.42μm、(b)の構造体の導電体層W上に隣接するSiO層から6層目のGe層までの各層の厚さは、0.64μm、0.85μm、0.85μm、0.42μm、0.64μm、0.42μm、(c)の構造体の導電体層W上に隣接するSiO層から8層目のGe層までの各層の厚さは、0.44μm、0.44μm、0.22μm、0.44μm、0.88μm、0.44μm、0.66μm、0.44μmであって、各構造体のSiO層及びGe層は、それぞれの厚さが非周期的であって、何らかの数列的な関係を有しない。図5の(d)〜(f)には、目標波長をそれぞれ(a)5μm、(b)6μm、(c)7μmとして計算された構造体の数に対する最大性能指数(Figure Of Merit:FOM)の遷移を示す。構造体の候補の数は、誘電体層の膜数、半導体層の膜数、各誘電体層の材料・厚さ、各半導体層の材料・厚さの組合せにより数十万通りあるが、その候補の中から僅か数千回の計算で最適化された構造体を発見することができ、計算コストを大幅に削減することができる。なお、計算の回数は、ステップS101における第1の記述子の選定の仕方によって変化するが、最終的に得られる最適化された構造体は同じであって、本発明の構造体のようなフォトニック結晶に対して力量のない設計者であっても、本発明の製造方法及びプログラムを実行することによって、最適化された構造体を設計することができる。
図6に、ステップS101〜ステップS108を実行することができるプログラムによる機械学習を行うことによって、目標波長をそれぞれ(a)5μm、(b)6μm、(c)7μmとして選択して最適化された構造体の電磁場解析に基づいて計算された放射率を示す。このように最適された各構造体は、図6に示すように、選択された各目標波長において、放射率が最大値1及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波を放射する。なお、図5及び図6においては、放射率が最大値1及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波を選択的に放射する構造体になるように最適化されているが、必要に応じて放射率の最大値及び半値全幅は適宜変更されることができる。また、図2の作製された構造体101は、図5(b)の最適化された構造体に基づいてスパッタリング法により作製された構造体であるが、図3の測定結果と図6の計算値とを比較すると、計算に使用された材料の物性が実際の物性とは異なるために若干の差異があるが概ね一致している。
上記記載は特定の実施例についてなされたが、本発明はそれに限らず、本発明の原理と添付の特許請求の範囲の範囲内で種々の変更及び修正をすることができることは当業者に明らかである。
101 構造体
102a、102b、102c 誘電体層
103a、103b、103c 半導体層
104 導体層
105 熱伝導
106 電磁波

Claims (20)

  1. 少なくとも1つの誘電体層と、少なくとも1つの半導体層とを備える構造体であって、
    2〜10μmの波長帯において、放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波を放射する構造体。
  2. 前記構造体が、少なくとも2つの誘電体層と、少なくとも2つの半導体層とを備え、各誘電体層と各半導体層とが、隣接して交互に重ね合わされて配置されている、請求項1に記載の構造体。
  3. 前記少なくとも2つの誘電体層及び前記少なくとも2つの半導体層は、それぞれの厚さが非周期的になるように交互に重ね合わされて配置されている、請求項2に記載の構造体。
  4. 前記構造体は、導体層上に配置され、前記導体層からエネルギーが伝達される、請求項1〜3の何れか一項に記載の構造体。
  5. 前記導体層上に隣接して前記少なくとも1つの誘電体層のうちの1つが配置されている、請求項4に記載の構造体。
  6. 4〜8μmの波長帯において、放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波を放射する、請求項1〜5の何れか一項に記載の構造体。
  7. 各誘電体層の厚さは100nm以上である、請求項1〜6の何れか一項に記載の構造体。
  8. 各半導体層の厚さは100nm以上である、請求項1〜7の何れか一項に記載の構造体。
  9. 各誘電体層は、酸化シリコン又は酸化アルミニウムによって構成されている、請求項1〜8の何れか一項に記載の構造体。
  10. 各半導体層は、シリコン又はゲルマニウムによって構成されている、請求項1〜9の何れか一項に記載の構造体。
  11. 2〜10μmの波長帯において、放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波を選択的に放射する構造体を製造する方法であって、
    (a)少なくとも1つの誘電体層と少なくとも1つの半導体層とを備える前記第1の構造体の、誘電体層の膜数、半導体層の膜数、各誘電体層の材料・厚さ、各半導体層の材料・厚さを第1の記述子として選定するステップと、
    (b)前記第1の記述子に基づく前記第1の構造体が放射する熱放射スペクトルを第1の計測値として計測して、前記第1の記述子及び前記第1の計測値を訓練データとして選定するステップと、
    (c)前記訓練データを使用して、少なくとも1つの誘電体層と少なくとも1つの半導体層とを備える仮の構造体の、誘電体層の膜数、半導体層の膜数、各誘電体層の材料・厚さ、各半導体層の材料・厚さを仮の記述子とした場合に、前記仮の構造体が放射する仮の計測値としての熱放射スペクトルを予測するためのガウス過程モデルを学習するステップと、
    (d)前記ガウス過程モデルより、前記第1の記述子に相違する仮の記述子に対して予測される熱放射スペクトルの平均及び分散を計算するステップと、
    (e)前記平均及び前記分散を使用してスコアリングを行い、前記相違する仮の記述子のうちのスコアが所定値である少なくとも1つを、次に計測すべき第2の記述子として選定するステップと、
    (f)前記第2の記述子に基づく第2の構造体が放射する熱放射スペクトルを第2の計測値として計測するステップと、
    (h)前記第2の計測値としての熱放射スペクトルが最適値に達した場合に、前記第2の記述子の、誘電体層の膜数、半導体層の膜数、各誘電体層の材料・厚さ、各半導体層の材料・厚さに基づいて、前記構造体を形成するステップと
    を含む方法。
  12. (g)前記ステップ(f)の後、前記第2の計測値としての熱放射スペクトルが最適値に達していない場合に、前記第2の記述子及び前記第2の計測値を前記訓練データに追加するステップ
    を更に含む、請求項11に記載の方法。
  13. 前記ステップ(f)の後、前記第2の計測値としての熱放射スペクトルが最適値に達するまで、前記ステップ(c)〜(g)を反復する、請求項12に記載の方法。
  14. 前記第1の計測値及び前記第2の計測値としての熱放射スペクトルを、電磁場解析に基づいて計算することによって計測する、請求項11〜13の何れか一項に記載の方法。
  15. 前記ステップ(h)は、電子ビーム蒸着法、MBE法、CVD法、HVPE法、ALD法、スパッタリング法のうちの少なくとも1つによって、前記構造体の各誘電体層及び各半導体層を積層するステップである、請求項11〜14の何れか一項に記載の方法。
  16. 2〜10μmの波長帯において、放射率が最大値0.8以上及び半値全幅20nm以下であるスペクトルを有する電磁波を選択的に放射する構造体を製造するためのプログラムであって、
    (a)少なくとも1つの誘電体層と少なくとも1つの半導体層とを備える第1の構造体の、誘電体層の膜数、半導体層の膜数、各誘電体層の材料・厚さ、各半導体層の材料・厚さを第1の記述子として選定するステップと、
    (b)前記第1の記述子に基づく前記第1の構造体が放射する熱放射スペクトルを第1の計算値として電磁場解析に基づいて計算して、前記第1の記述子及び前記第1の計算値を訓練データとして選定するステップと、
    (c)前記訓練データを使用して、少なくとも1つの誘電体層と少なくとも1つの半導体層とを備える仮の構造体の、誘電体層の膜数、半導体層の膜数、各誘電体層の材料・厚さ、各半導体層の材料・厚さを仮の記述子とした場合に、前記仮の構造体が放射する仮の計算値としての熱放射スペクトルを予測するためのガウス過程モデルを学習するステップと、
    (d)前記ガウス過程モデルより、前記第1の記述子に相違する仮の記述子に対して予測される熱放射スペクトルの平均及び分散を計算するステップと、
    (e)前記平均及び前記分散を使用してスコアリングを行い、前記相違する仮の記述子のうちのスコアが所定値である少なくとも1つを、次に計算すべき第2の記述子として選定するステップと、
    (f)前記第2の記述子に基づく第2の構造体が放射する熱放射スペクトルを第2の計算値として電磁場解析に基づいて計算するステップと、
    (h)前記第2の計算値としての熱放射スペクトルが最適値に達した場合に、前記第2の記述子を、前記構造体の、誘電体層の膜数、半導体層の膜数、各誘電体層の材料・厚さ、各半導体層の材料・厚さとして選定するステップと
    を実行するプログラム。
  17. (g)前記ステップ(f)の後、前記第2の計算値としての熱放射スペクトルが最適値に達していない場合に、前記第2の記述子及び前記第2の計算値を前記訓練データに追加するステップ
    を更に実行する、請求項16に記載のプログラム。
  18. 前記ステップ(f)の後、前記第2の計算値としての熱放射スペクトルが最適値に達するまで、前記ステップ(c)〜(g)を反復する、請求項17に記載のプログラム。
  19. 前記平均及び前記分散は、ガウシアンカーネルを使用して計算される、請求項16〜18の何れか一項に記載のプログラム。
  20. 前記スコアリングを、PIアルゴリズム、EIアルゴリズム、MIアルゴリズム、UCBアルゴリズムのうちの少なくとも1つを含む獲得関数によって行う、請求項16〜19の何れか一項に記載のプログラム。
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